淺談量子運算技術現況與未來發展前景

作者 : Maurizio Di Paolo Emilio,EE Times歐洲特派記者

量子技術領域的研發仍然相當活躍,也將會持續如此,因為該技術在未來具備顯著的戰略意義...

量子運算可望對眾多領域帶來劇烈影響,從網路安全到金融,從供應鏈到製藥,從國防到天氣預測…而量子位元(qubits)面臨的挑戰是讓它們能越來越穩定,以最佳化其性能。

具備超過1,000個量子位元的平台可望在接下來幾年問世,包括IBM、Amazon、Microsoft等公司都在逐漸增加相關投資力道;廠商之間的競爭在於幾個方面:量子位元數量、可用連接埠的類型、量子位元之間的連結,還有錯誤率與運作溫度。

「大自然是由微小的粒子構成,包括原子、電子甚至更小的次原子(subatomic)粒子;」總部位於以色列的一家量子演算法開發平台軟體業者Classiq執行長暨共同創辦人Nir Minerbi表示:「這些粒子之間的互動與我們日常生活周遭看到的物體完全不同,量子技術就是仰賴這些微小粒子獨特、或者說有點奇怪的物理特性。」

根據Minerbi的說法,對量子運算有直接影響的量子理論關鍵原理,包括疊加(superposition,粒子同時處於不同狀態的能力)、糾纏(entanglement,粒子之間即使距離很遠仍能相互關聯的能力),以及干涉(interference,粒子相互放大或抵消的能力)。

研究機構Yole Group旗下的Yole Intelligence市場研究總監Eric Mounier表示,量子技術領域的研發仍然相當活躍,也將會持續如此,因為該技術在未來具備顯著的戰略意義。

「舉例來說,加拿大業者Xanadu在6月份發表相關技術演進,展示了216個壓縮態(squeezed-state)量子位元,並可透過Xanadu自家的雲端平台以及Amazon Braket雲端服務為大眾提供其運算能力;」Mounier指出:「還有中國在2020年展示利用光子電腦的量子技術進展,Google則在2019年宣佈首次實現量子技術進展。」

他補充,除了美國、印度(曾發表一個10億美元規模計畫)、日本與中國非常積極開發量子技術,歐洲的相關研發也很強,像是荷蘭的台夫特理工大學(Delft University),法國研究機構CEA-Leti,都在開發可相容CMOS製程的量子技術。

「商用量子電腦已經問世,」Minerbi表示:「該類電腦以量子位元與量子邏輯閘(quantum gates)組成。有不同的技術被用來打造量子位元,因此也有不同種類的量子位元,像是超導量子位元、捕獲離子(trapped ion)量子位元、光子量子位元等等。有很多研究投入在改善量子位元與量子邏輯閘的品質,以及利用量子特性的軟體演算法,還有打造大規模量子電腦的方法。」

Mounier則指出,量子技術的最大挑戰在於降低「退相干」(decoherence)現象導致的錯誤率;所謂的退相干是量子系統與外部世界耦合導致的誤差;「隨著量子位元數量增加,退相干現象也會增加,這是量子電腦錯誤的主要來源。」

他表示:「必須擁有足夠的實體量子位元──至少要50個──才能讓量子運算能超越當前傳統電腦的實際限制;但很多專家相信,量子電腦會需要擁有至少100萬個量子位元,才能真正擁有商用價值。」

「量子電腦很容易受到外部環境以及製造過程瑕疵的影響,」Minerbi表示,「因此它們在能夠於數值敗壞之前保存多長時間這個方面是有限制的。業者在改善這種特性的同時,也正開發錯誤糾正的機制,好在錯誤發生時能偵測到並予以校正。」

 

量子運算的各種潛力應用。

(來源:Yole)

 

Mounier列出了商用量子電腦面臨的另外三個挑戰:

  • 實施表面碼(surface code)錯誤糾正,以偵測並校正個別量子位元的脆弱量子態。
  • 開發中立(agnostic)軟體。
  • 開發新的電子硬體(也需要是低溫硬體)以控制個別量子位元並讀取結果。

在軟硬體系統堆疊方面,Mounier表示,量子電腦需要與傳統電腦完全不同的軟體,目前有兩條不同的發展路線:

  • 有一些大公司在開發量子電腦的同時也開發自有軟體語言。
  • 有一些新公司正在研發中立於各種量子技術的軟體,能應用於像是Google或IBM等不同業者的不同量子平台。

但他也指出:「無論如何,缺乏標準化量子軟體可能延遲量子運算的採用,就像是過去FPGA遇到的問題。」

令人期待的量子技術發展

Mounier表示,光子技術在量子運算上的應用令人期待,也是目前一個很活躍的研發領域。利用以CMOS技術製造的矽光子元件,能縮小光學電路規模,此外因為光子能在室溫下運作,也提供了在處理方面的優勢,可以利用矽晶片技術進行設計與製造矽光子晶片。

「光子與矽光子能被用來操控離子以實現量子運算;」Mounier表示:「有數個進行中的研究專案,是利用以雷射操控的離子量子位元來實現量子運算。舉例來說,美國業者IonQ與杜克大學量子中心(Duke Quantum Center),已經實現了利用32個離子的量子運算。為了縮減量子電腦的尺寸,可能會利用整合於單晶片的雷射以及光子元件。」

「美國麻省理工學院林肯實驗室(MIT Lincoln Laboratory)進行了這類實驗,展示利用矽光子操控個別離子;」他進一步指出:「IonQ計劃在2023年使用矽光子支援離子位元量子運算,所以很多公司都在利用光子量子位元,包括QuiX (荷蘭)、Xanadu與PsiQuantum (美國)。」

「PsiQuantum與GlobalFoundries宣布結盟,打造全球第一家完整規格的商用量子電腦;兩家公司現在正在製造矽光子與電子晶片,將作為該Q1系統的基礎。那會是PsiQuantum的技術藍圖中的第一個系統里程碑,將提供擁有100萬個量子位元的商用量子電腦。」

電動交通與能源應用

量子電腦在電動交通(e-mobility)與能源領域也有許多應用,「其中一個有趣的應用是固態電池的開發;」Mounier表示:「不過因為有眾多不同的方法,固態電池的開發力道仍然被削弱。」

Minerbi則指出,目前量子電腦有兩個主要應用方向:最佳化與材料科學;「以量子驅動的最佳化將有助於設計更好的能源分配網路、最佳化的交通(因此能節省能源),以及最佳化供應鏈。而量子驅動的材料科學,則能催生更好的EV電池──更輕而且容量更大──並協助降低像是哈伯法(Haber-Bosch)等化學製程中的能源消耗。」

在此同時,德國車廠BMW集團以及法國業者Pasqal已經擴展其合作,將進一步利用量子運算改善車輛的設計與製造;雙方的下一個階段合作計畫,目標是讓BMW能透過加速的軟體模擬工具,設計出更安全、更輕量,能源效率更高的車輛。

高精準度的運算模擬軟體能讓BMW取代成本高昂的實體打造-測試-改善(physical build-test-improve cycles)週期,因為目前的經典運算方法無法以所需精準度來因應整車模擬。這類的模擬終究將協助BMW打造更輕量化的零件,讓車輛的能源效率更高。

 

量子電腦技術發展藍圖。

(來源:Yole)

 

量子運算未來願景

我們將會首先看到在量子電腦上執行的軟體模擬,接著是情境(scenario)最佳化以及機器學習的相關應用;不過,情境預測會更加困難,預期要在20到30年之後才會被採用。

「在具體應用方面,目前製藥是量子運算最受關注的;」Mounier表示:「不過在量子被廣泛應用於醫療與製藥應用還需要許多年的時間,也許是20至30年。在量子運算可在5到10年內準備好應用於藥物開發,只要屆時已有經確認的候選藥物;而若要探索新藥物,則需要10到20年以上的時間。」

他並指出,在製藥業採用量子運算之後,在10年之後會跟著採用該技術的應用包括能源、化學、交通運輸,以及金融/財務等。

「量子運算將會成為任何一種嚴謹的運算架構之中央支柱,」Minerbi表示:「就像是CPU與GPU,量子處理器單元(QPU)將會成為所有資料中心的關鍵零組件。那些QPU加上CPU與GPU,能解決傳統電腦無法解決的問題,帶來龐大的社會效益。」

網路與量子運算之間的關係

能執行Shor演算法的量子處理器之問世,將讓像是RSA、ECC非對稱演算法,以及所有以整數分解(integer-factoring)數學題、離散對數(discrete logarithms)以及橢圓曲線離散對數為基礎的加密演算法完全變得不安全。

「後量子密碼學(post-quantum cryptography)──有時被叫做抗量子(quantum-proof、quantum-safe或quantum-resistant)加密演算法,通常是公鑰演算法,被認為可以安全抵禦量子電腦的攻擊;」Mounier表示:「這可以被視為網路安全技術,後量子加密技術市場將會成長,我們估計轉折點會是在2028到2030年之後,取決於到時候市面上可用的量子電腦訊息。」

「量子技術與網路安全技術將會有數個交叉點,」Minerbi則表示:「量子現象可被用於安全地分配加密金鑰或者提供不會被駭的通訊連結。強大的量子電腦能破解RSA加密或者其他經典加密方法,而量子運算也有助於透過偵測新弱點,來保障現有的網路與軟體。」

目前日常網路瀏覽使用的公-私鑰演算法,幾乎都是仰賴Shor演算法,這也讓它們變得不安全。因此,需要在所謂的後量子階段開發新的演算法,也就是定義並打造在量子電腦問世之後仍然能保持安全的加密演算法。研究人員正在提出採用不同方法並以不同數學題為基礎的數種後量子加密演算法,這也意味著將消耗大量網路資源。

結語

量子電腦有一個特性,是其運算力等級將會跟著每一個量子位元的增加而成指數級提升,而傳統電腦的運算力規模則是隨著位元數的增加呈線性成長。根據Minerbi的說法,因此量子電腦可以解決傳統電腦無法也從未能解決的問題;這不只是與運算速度有關,而是能不能解決特定類型的問題。

「許多歷史悠久的大企業組織正在努力打造具備數以萬計、甚至百萬計量子位元的量子電腦,不過今日最大規模的量子電腦,僅擁有約100個量子位元;」Minerbi指出:「那些更大型的電腦將能解決一系列的新問題,並實現錯誤糾正,協助克服今日電腦的一些問題。」

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年8月號

編譯:Judith Cheng

 

 

 

 

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